精确快速且节能的压电超声电动机在全站仪中的应用

谁对驱动系统的要求提高了，谁就可以考虑在生产实践中用压电超声电动机来代替传统的直流步进电动机。例如，在新一代的地理测绘的全站仪中使用的压电超声电动机，就能够在高清晰度和低能耗的情况下实现迄今为止从未有过的运动速度和加速度。

在地球地理测绘中，全站仪是最经常使用的角度和经纬度检测仪器设备。Leica Geosystems公司是一家总部设在Ostschweiz市的高精度检测仪器生产厂商，在德国的慕尼黑、柏林、Karlsruhe和Düsseldorf等地都设有自己的销售代理商。这是一家拥有200多年地理测绘仪器生产经验的企业，时至今日还通过不断地推出创新性的新产品而名扬四海。例如，自高精度的WILD T3型精密经纬仪投放市场75年之后，其精度和可靠性仍然非常令人信服。这家瑞士公司以其最新的全站仪Leica TS30（图1）向世人证明：他们的产品在地理测绘的精确性和可靠性方面又提升到了一个新的水平。

图1 新型的地理测绘全站仪Leica TS30：代表更精确、高可靠性角度和距离检测的最新水平。
在确立这一最新水平的过程中，其使用的驱动技术发挥了关键性的作用

新一代地理测绘全站仪

新型Leica TS30型全站仪使用Leica精密棱镜（GPH1P）时的角度检测精度为0.5"（按ISO 17123-3标准），距离检测精度为0.6mm＋1ppm（按ISO 17123-4标准），对任意自然地形地貌的检测精度为2mm＋2ppm。除了检测精度之外，新型全站仪精确的定位精度和极短的检测时间也是用户选择这种地理测绘仪的一个重要指标。新型Leica TS30以其很高的回转运动加速度和速度，以及仪器和镜头精确的运动方式而征服了用户；而且也实现了准确的角度和距离检测与最佳的自动化相结合。全世界的地理测绘工程师们都对此赞叹不已，而传统的驱动技术装备是无法实现这一技术进步的。

全站仪中能够安装驱动电动机的空间非常有限（图2），但是全站仪的回转速度至少要达到180/s，这一回转速度是传统全站仪回转速度的4倍。只有采用新的驱动技术，才能保障很高的回转加速度和极短的定位时间。这里需要的是能够满足定位精度和可靠性要求、满足野外环境气候高要求，以及代表未来技术水平的替代解决方案。

图2 从全站仪的剖视图中可以清楚地看到：全站仪旋转机构的安装空间非常有限

在上面所述的使用环境和要求中，减速传动所用的典型的传统直流电机回转步进电机将会成为全站仪中的薄弱环节，因为所使用的机械零部件必然要有磨损。还有，在某些使用环境中，机械部件运动时所产生的噪声是人们所不希望的，例如在长达几周的24h监控检测时，或者市内工作时。在经纬仪市场上，除了传统的步进电机这一解决方案之外，还有电磁力直接驱动的解决分案。但精密检测时电磁直接驱动技术不能采用机械止动方式来实现精确的定位，只能用电力止动的方式来解决；而在经纬仪、全站仪这类移动应用的情况下，使用电力止动会带来很高的能源损失和热能损失。

压电超声电动机产生的旋转运动

全站仪光学仪器的水平旋转和垂直旋转运动，采用的都是压电超声驱动原理的驱动技术。这一技术使得人们实现了前所未有的高旋转速度（超过了180/s）和高加速度（可达360/s2）。这种驱动是具有制动能力的驱动，也就是说，在没有电流的情况下会产生很大的制动力。另外，在旋转时它几乎是没有声音的，其工作环境的温度在-20～50℃，并且免维护。在全站仪中使用的这种压电超声电动机（牌号为Kastentext）是由Karlsruhe市的Physik Instrumente公司研发并生产的。这家企业在微米级和纳米级定位技术领域中已经有30多年的从业经验了，也是当今世界上技术领先的企业之一。图3为使用压电超声电极的生物分选装置和微电子显微镜，由于其非常小的安装空间，使它们能够方便地集成到现有的仪器设备之中。 [p]

图3 使用压电超声电极的生物分选装置和微电子显微镜，由于其非常小的安装空间，
使它们能够方便地集成到现有的仪器设备之中

全站仪中驱动经纬仪镜头水平和垂直旋转的压电超声电动机的工作原理非常容易理解。旋转运动由两个切向配置的压电超声电动机产生（图4），与压电超声电动机接触的旋转环可以绕水平或者垂直轴线旋转。在弹簧预紧力的作用下，没有通电的常态下驱动装置是锁死不动的；而且，在这种情况下也不会像电磁驱动系统那样“位置漂移”。通电后，对称布置的压电晶体利用超声波使运动部件产生悬浮。由于在运动传递的过程中没有机械零部件，例如变速器之类的机械零部件，因此它工作时几乎没有磨损，非常可靠。此外，这一解决方案还有着很好的集成性，并能够简单方便地构成线性驱动系统，利用切向驱动的原理推动直线型的导轨运动（图5）。

图4 全站仪的旋转运动由两个与支撑环呈切向配置的超声电动机驱动

图5 高效且简单，压电超声电动机也能够实现线性驱动，
其切向驱动原理也能够推动直线导轨运动

广泛的用途

压电超声电动机技术有着非常广泛的应用，尤其是在那些要求体积小、速度快、可靠性高的场合中。例如在生物技术领域或者电子显微技术领域中的应用。典型的工业应用实例如半导体产品的生产制造、光学仪器的生产制造以及检测和医药产品生产技术领域中的应用。压电超声电动机的应用领域日益扩大，因此人们有必要继续关注这一驱动技术的发展，尝试在新技术研发中使这一驱动技术发挥出其应有的效力。

有效利用压电效应

在压电超声电动机中，高频振动的压电晶体把振动传递到运动导轨和旋转环上，其产生的行波推动着运动导轨和旋转环运动。这一驱动系统结构非常简单：一块压电晶体、一个弹簧和一个与压电晶体相互接触的摩擦块，摩擦块一般都固定在运动部件上，例如固定在运动导轨和旋转环上。其结果是：重量轻、免维修、运动速度可达0.5m/s，有着很高的加速性能。由于它有着非常扁平的结构形式，因此具有非常广泛的应用领域，经常在生产实践中成为电动机-主轴组合方案的最佳首选。具有很大制动力的超声电动机无需中间的辅助机构，就能够把动力直接传递到机床主轴或者变速器上，并且反向时没有任何间隙。(end)